Естествознание XX века

Естествознание XX века

РЕФЕРАТ

по курсу «Концепции современного естествознания»

«Естествознание XX века»

1. Четвертая научная революция

Еще в конце XIX века большинство ученых склонялись к точке зрения, что физическая картина мира в основном построена и останется в дальнейшем незыблемой. Предстоит уточнять лишь детали. Но в первые десятилетия XX века физические воззрения изменились коренным образом. Это было следствием «каскада» научных открытий, сделанных в течение чрезвычайно короткого исторического периода, охватывающего последние годы XIX столетия и первые десятилетия XX века.

В 1896 году французский физик Антуан Анри Беккерель (1852-1908) открыл явление самопроизвольного излучения урановой соли. Исследуя это явление, он наблюдал разряд наэлектризованных тел под действием указанного излучения и установил, что активность препаратов урана оставалась неизменной более года. Однако природа нового явления еще не была понята.

В его исследование включились французские физики, супруги Пьер Кюри (1859-1906) и Мария Склодовская-Кюри (1867-1934). Прежде всего их заинтересовал вопрос: нет ли других веществ, обладающих свойством, аналогичным урану? В 1898 году были открыты новые элементы, также обладающие свойством испускать «беккерелевы лучи», -- полоний и радий. Это свойство супруги Кюри назвали радиоактивностью. Их напряженный труд принес щедрые плоды: с 1898 г. одна за другой стали появляться статьи о получении новых радиоактивных веществ. А годом раньше, в 1897 году, в лаборатории Кавендиша в Кембридже при изучении электрического разряда в газах (катодных лучей) английский физик Джозеф Джон Томсон (1856-1940) открыл первую элементарную частицу -- электрон. В последующих опытах по измерению заряда электрона и получению отношения этого заряда к массе было обнаружено совершенно необычное явление зависимости массы электрона от его скорости. Уяснив, что электроны являются составными частями атомов всех веществ, Дж. Томсон предложил в 1903 году первую (электромагнитную) модель атома. Согласно этой модели, отрицательно заряженные электроны располагаются определенным образом (как бы «плавают») внутри положительно заряженной сферы. Сохранение электронами определенного места в сфере есть результат равновесия между положительным равномерно распределенным ее зарядом и отрицательными зарядами электронов. Но модель «атома Томсона» просуществовала сравнительно недолго.

В 1911 году знаменитый английский физик Эрнест Резерфорд (1871-1937) предложил свою модель атома, которая получила название планетарной. Появлению этой новой модели атома предшествовали эксперименты, проводимые Э. Резерфордом и его учениками, ставшими впоследствии знаменитыми физиками, Гансом Гейгером (1882-1945) и Эрнстом Марсденом (1889-1970). В результате этих экспериментов, показавших неприемлемость модели атома Дж. Томсона, было обнаружено, что в атомах существуют ядра -- положительно заряженные микрочастицы, размер которых очень мал по сравнению с размерами атомов. Но масса атома почти полностью сосредоточена в его ядре. Исходя из этих новых представлений, Резерфорд и выдвинул свое понимание строения атома, которое он обнародовал 7 марта 1911 года на заседании Манчестерского философского общества. По его мнению, атом подобен Солнечной системе: он состоит из ядра и электронов, которые обращаются вокруг него.

Но планетарная модель Резерфорда обнаружила серьезный недостаток: она оказалась несовместимой с электродинамикой Максвелла. Согласно законам электродинамики, любое тело (частица), имеющее электрический заряд и движущееся с ускорением, обязательно должно излучать электромагнитную энергию. Но в этом случае электроны очень быстро потеряли бы свою кинетическую энергию и упали на ядро. С этой точки зрения, оставалась непонятной необычайная устойчивость атомов. Кроме того, в соответствии с законами электродинамики, частота излучаемой электроном электромагнитной энергии должна быть равна частоте собственных колебаний электрона в атоме или (что то же) числу оборотов электрона вокруг ядра в секунду. Но в этом случае спектр излучения электрона должен быть непрерывным, так как электрон, приближаясь к ядру, менял бы свою частоту. Опыт же показывал другое: атомы дают электромагнитное излучение только определенных частот (именно поэтому атомные спектры называют линейчатыми, т. е. состоящими из вполне определенных линий). Такая определенность спектра, его ярко выраженная химическая индивидуальность очень трудно совмещается с универсальностью электрона, заряд и масса которого не зависят от природы атома.

Разрешение этих противоречий выпало на долю известного датского физика Нильса Вора (1885-1962), предложившего свое представление об атоме. Последнее основывалось на квантовой теории, начало которой было положено на рубеже XX века немецким физиком Максом Планком (1858-1947). Планк выдвинул гипотезу, гласящую, что испускание и поглощение электромагнитного излучения может происходить только дискретно, конечными порциями -- квантами.

Н. Бор, зная о модели Резерфорда и приняв ее в качестве исходной, разработал в 1913 году квантовую теорию строения атома. В ее основе лежали следующие постулаты: в любом атоме существуют дискретные (стационарные) состояния, находясь в которых атом энергию не излучает; при переходе атома из одного стационарного состояния в другое он излучает или поглощает порцию энергии.

Предложенная Бором модель атома, которая возникла в результате развития исследований радиоактивного излучения и квантовой теории, фактически явилась дополненным и исправленным вариантом планетарной модели Резерфорда. Поэтому в истории атомной физики говорят о квантовой модели атома Резерфорда -- Бора.

Следует отметить, что научные заслуги Резерфорда не ограничиваются исследованиями, приведшими к упомянутой планетарной модели атома. Совместно с английским химиком Фредериком Содди (1877-1956) он провел серьезное изучение радиоактивности. Резерфорд и Содди дали трактовку радиоактивного распада как процесса превращения химических элементов из одних в другие. «Неизменяемость свойств электронов при обычных физических и химических процессах, -- писал Н. Бор, -- непосредственно объясняется тем, что в таких процессах, хотя связи электронов и могут сильно меняться, ядро остается без изменений. Резерфордом была доказана и взаимная превращаемость атомных ядер под действием мощных сил. Тем самым Резерфорд открыл совершенно новую область исследований, которую часто называют современной алхимией»50.

Как тут не вспомнить крушение стремлений и надежд многих поколений алхимиков получать одни химические элементы (чаще всего -- золото) из других в связи с открытием во второй половине XVIII века Лавуазье закона неизменности химических элементов. И вдруг, в начале XX века, оказалось, что в результате радиоактивного распада некоторые элементы самопроизвольно превращаются в другие. Это было поистине научной сенсацией.

Впрочем, наука XX века принесла немало сенсационных открытий, многие из которых совершенно не укладывались в представление обыденного человеческого опыта. Ярким примером этого может служить теория относительности, созданная в начале нашего столетия мало кому известным тогда мыслителем Альбертом Эйнштейном (1879-1955).

В 1905 г. им была создана так называемая специальная теория относительности. В целом теория А. Эйнштейна основывалась на том, что -- в отличие от механики И. Ньютона -- пространство и время не абсолютны. Они органически связаны с материей и между собой. Когда А. Эйнштейна попросили выразить суть теории относительности в одной, по возможности понятной фразе, он ответил: «Раньше полагали, что если бы из Вселенной исчезла вся материя, то пространство и время сохранились бы, теория относительности утверждает, что вместе с материей исчезли бы также пространство и время».

Более подробно о теории относительности сказано в разделе, посвященном пространственно-временным представлениям. Мы здесь лишь отметим, что эта теория получила признание далеко не сразу. Специальная теория относительности была быстро принята лишь узким кругом известных физиков-теоретиков. Но в 20-х годах, после появления общей теории относительности, этот круг существенно расширился. Эйнштейн получил полную поддержку многих выдающихся ученых, работавших в других областях физики, но обладавших широкой культурой физического мышления.

В то же время существовали и тупая ограниченность в науке, милитаризм и расизм в политике. Не случайно теория относительности была встречена в штыки в фашистской Германии, где к хору злобных голосов, отвергших теорию Эйнштейна как «неарийскую», враждебную национальному германскую сознанию, присоединились такие известные физики-экспериментаторы, как Ленард и Штарк.

Хотя имя А. Эйнштейна по сей день в массовом сознании связывается с теорией относительности, эта теория была далеко не единственным его научным достижением. Опираясь на представление Планка о квантах, Эйнштейн еще в 1905 году сумел обосновать природу фотоэффекта. Каждый электрон выбивается из металла под действием отдельного светового кванта, или фотона, который при этом теряет свою энергию. Часть этой энергии уходит на разрыв связи электрона с металлом. Эйнштейн показал зависимость энергии электрона от частоты светового кванта и энергии связи электрона с металлом.

Казалось, что корпускулярная теория материи торжествует. Фотон, например, явно имеет корпускулярные свойства (русский физик П.Н. Лебедев даже доказал в 1899 году существование светового давления). Но вскоре выяснилось, что определить энергию фотона (частицы света, не обладающей массой покоя) можно было, только представляя его себе в виде волны с соответствующей длиной и частотой. Получалось, что фотон -- это одновременно и волна и частица. Распространяется он как волна, излучается и поглощается -- как частица.

В 1924 году произошло крупное событие в истории физики: французский ученый Луи де Бройлъ (1892-1987) выдвинул идею о волновых свойствах материи. «Почему, если волновой материи присущи свойства корпускулярности, -- писал он, -- мы не вправе ожидать и обратного: что корпускулярной материи присущи волновые свойства? Почему бы не мог существовать закон, единый для всякого вообще материального образования, не важно, волнового или корпускулярного?».

Наиболее убедительное подтверждение существования волновых свойств материи было получено в результате открытия (наблюдения) дифракции электронов в эксперименте, поставленном в 1927 году американскими физиками Клинтоном Дэвиссоном (1881-1958) и Лестером Джермером (1896-1971). Быстрые электроны, проходя сквозь очень тонкие пластинки металла, вели себя подобно свету, проходящему мимо малых отверстий или узких щелей. Другими словами, распределение электронов, отражавшихся от пластинки и летевших лишь по некоторым избранным направлениям, было таким же, как если бы на пластинку падал пучок цвета с длиной волны, равной длине волны электрона, вычисленной по формуле де Бройля.

Экспериментально подтвержденная гипотеза де Бройля превратилась в принципиальную основу, пожалуй, наиболее широкой физической теории -- квантовой механики. У объектов микромира, рассматриваемых с ее позиций, обнаружились такие свойства, которые совершенно не имеют аналогий в привычном нам мире. Прежде всего -- это корпускулярно-волновая двойственность, или дуализм элементарных частиц (это и корпускулы и волны одновременно, а точнее -- диалектическое единство свойств тех и других). Движение микрочастиц в пространстве и времени нельзя отождествлять с механическим движением макрообъекта. Например, положение элементарной частицы в пространстве в каждый момент времени не может быть определено с помощью системы координат, как для привычных нам тел окружающего мира. Движение микрочастиц подчиняется законам квантовой механики.

Об абсолютной непригодности законов классической механики в микромире свидетельствует, например, установленное видным немецким физиком Вернером Гейзенбергом (1901-1976) соотношение неопределенностей: если известно место положения частицы в пространстве, то остается неизвестным импульс (количество движения), и наоборот. Это одно из фундаментальных положений квантовой механики. С точки зрения классической механики и просто «здравого смысла», принцип неопределенности представляется абсурдным. Нам трудно представить себе, как все это может быть «на самом деле».

По этому поводу известный американский физик Ричард Фейнман писал следующее: «Раз поведение атомов так не похоже на наш обыденный опыт, то к нему очень трудно привыкнуть. И новичку в науке, и опытному физику -- всем оно кажется своеобразным и туманным. Даже большие ученые не понимают его настолько, как им хотелось бы, и это совершенно естественно, потому что весь непосредственный опыт человека, вся его интуиция -- все прилагается к крупным телам. Мы знаем, что будет с большим предметом; но именно так мельчайшие тельца не поступают. Поэтому, изучая их, приходится прибегать к различного рода абстракциям, напрягать воображение и не пытаться связывать их с нашим непосредственным опытом».

Все вышеизложенные революционные открытия в физике перевернули ранее существующие взгляды на мир. Исчезла убежденность в универсальности законов классической механики, ибо разрушились прежние представления о неделимости атома, о постоянстве массы, о неизменности химических элементов и т. д. Теперь уже вряд ли можно найти физика, который считал бы, что все проблемы его науки можно решить с помощью механических понятий и уравнений. Рождение и развитие атомной физики, таким образом, окончательно сокрушило прежнюю механистическую картину мира.

Вместе с этим закончился прежний, классический этап в развитии естествознания, характерный для эпохи Нового времени. Наступил новый этап неклассического естествознания XX века, характеризующийся, в частности, новыми, квантово-релятивистскими представлениями о физической реальности.

2. Научно-техническая революция и ее естественнонаучная составляющая

Новые явления и процессы, имевшие место в развитии естествознания и техники в первой половине XX века, подготовили уникальное в истории общества событие, получившее наименование научно-технической революции (НТР). Последняя в значительной степени определила характер общественного прогресса на рубеже второго и третьего тысячелетий.

Естественнонаучные и технические революции, имевшие место в истории общества, никогда ранее не совпадали, не сливались в единый поток. Они происходили порознь. Особенностью второй половины XX столетия стали революции в естествознании и в технике, которые не только совпали по времени, но и оказались глубоко связанными между собой. Единство этого революционного процесса адекватно отразилось в самом понятии «научно-техническая революция».

Современной научно-технической революции предшествовал своеобразный подготовительный период, относящийся к первой половине XX века. Именно в этот период были сделаны важные естественнонаучные открытия, заложившие фундаментальные основы последующего грандиозного научно-технического переворота. Среди естественнонаучных направлений, в значительной степени определивших наступление НТР, были атомная физика и молекулярная биология.

Вот как пишет об этом известный писатель, популяризатор науки Даниил Данин: «1900 год. Финиширует XIX век и стартует XX. На их рубеже рождаются в интеллектуальном обиходе человечества два новых слова -- КВАНТ и ГЕН. Они становятся ключевыми в природоведении современности. И потому -- судьбоносными: жизнь и смерть на нашей планете глубинно связались с открытиями и надеждами фундаментальной науки именно в этих ныне главенствующих ее ипостасях -- квантовой и генетической».

Важной вехой в драматической истории атомного века стало экспериментальное наблюдение в конце 30-х годов немецкими физиками О. Ганом и Ф. Штрассманом процесса деления ядер урана и объяснение этого явления в работе Л. Майтнер и О. Фриша. Стало ясным, что физикам удалось осуществить цепную ядерную реакцию, которая может привести к ядерному взрыву с выделением огромной энергии. В условиях начавшейся второй мировой войны группа ученых США во главе с А. Эйнштейном обратилась к тогдашнему американскому президенту Ф. Рузвельту и обосновала настоятельную необходимость развертывания исследований в этом направлении. Начатые после этого исследовательские работы в Лос-Аламосской лаборатории (США, штат Нью-Мексико) привели в середине 40-х годов к созданию первой атомной бомбы.

В СССР работы над атомным оружием были начаты в 1943 году в связи с опасениями, что такое оружие создает гитлеровская Германия. После ядерных взрывов в Хиросиме и Нагасаки, окончания второй мировой войны и начала войны «холодной» стало очевидным, что наличие монополии на атомное оружие у одного государства -- США является фактором, угрожающим миру и международной стабильности.

Советский Союз во второй половине 40-х годов предпринял беспрецедентные усилия для создания собственной атомной бомбы. Для решения этой задачи были сконцентрированы огромные финансовые средства, самое передовое научное оборудование, интеллект лучших отечественных ученых-физиков, силы советской разведки, охотившейся за атомными секретами в США (по признанию академика Ю.Б. Харитона, сделанному в начале 90-х годов, первая советская атомная бомба была выполнена по американскому образцу).

Последнее требует, однако, учета следующих обстоятельств. Во-первых, ряд выдающихся советских физиков начался работать над схожими с американскими учеными проблемами еще до начала второй мировой войны и находил в 40-х годах на переднем крае ядерных исследований (без такой подготовленной научной «почвы» добытые разведкой «зерна» не дали бы никаких «всходов»). Во-вторых, советские физики могли бы создать атомную бомбу самостоятельно, опираясь только на свои силы, но это затянуло бы реализацию отечественного атомного проекта примерно на два года, что было крайне опасно в эпоху «холодной войны».

Вклад отечественных ученых в решение проблем атомной физики оказался достаточно весомым. Не случайно СССР стал пионером в освоении «мирного атома» (первая в мире атомная электростанция была пущена в 1954 году в городе Обнинске).

XX век в целом и его вторая половина, характеризовавшаяся научно-технической революцией, принесли громадные достижения в области биологии, которые выдвинули эту науку в ряды лидеров естествознания. Развитие биологии и, особенно, ее составной части -- генетики не только укрепило дарвиновскую теорию эволюции живой природы, но и позволило дать ей современное толкование. Понятия изменчивости и наследственности, которым Дарвин придавал большое значение, были более глубоко осмыслены в свете достигнутых успехов молекулярной биологии XX века.

Если в первой половине истекшего столетия прогресс в области изучения макромолекул был еще сравнительно медленным, то во второй половине этого столетия, т. е. в эпоху НТР, эти исследования существенно ускорялись благодаря технике физических методов анализа. На основе полученных данных о структуре живого вещества удалось воссоздать строение ряда белков и полипептидных гормонов, а также синтезировать некоторые менее сложные вещества. Химия белков, которая ранее казалась малоперспективной областью естествознания, выдвинулась на передний край науки, а раскрытие в середине XX века структуры дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК) послужило началом интенсивных исследований в химии и биологии.

Было выяснено, что нуклеиновые кислоты, являющиеся носителем и передатчиком наследственных качеств и играющие основную роль в синтезе клеточных белков, образуют группы веществ, важность которых трудно переоценить. Выдвинутая в начале 50-х годов гипотеза, согласно которой должны существовать особые молекулы нуклеиновых кислот, выполняющие функции перевода языка нуклеиновых кислот на язык белков, достаточно скоро получила экспериментальное подтверждение. К началу 60-х годов у ученых-биологов уже сложилось четкое понимание основных процессов передачи информации в клетке при синтезе белка. Дальнейший прогресс исследований в этой области позволил известному советскому биологу Ю.А. Овчинникову констатировать в начале 80-х годов, что «наибольших успехов биологическая наука достигла в последние 20-25 лет, когда она сумела заглянуть внутрь живой клетки и понять биологические механизмы на уровне молекулярных взаимодействий».

Однако развитие биологической науки в СССР шло далеко не гладко. Мощный идеологический прессинг привел к фактическому свертыванию на длительный период отечественных исследований в области генетики. В августе 1940 года был репрессирован наиболее видный представитель отечественной генетики, президент Всесоюзной академии сельскохозяйственных наук СССР (ВАСХНИЛ) Н.И. Вавилов (он погиб в тюрьме в 1943 году). Печально известная сессия ВАСХНИЛ, проходившая с 30 июля по 7 августа 1948 года, «предала анафеме» реакционный «менделизм -- вейсманизм -- морганизм», т. е. учения иностранных основателей современной генетики: чеха Грегора Менделя (1833-1884), немца Августа Вейсмана (1834-1914) и американца Томаса Моргана (1866-1945). С основным докладом «О положении в биологической науке», задавшим тон указанной сессии, выступил новый президент ВАСХНИЛ, «народный академик» Т.Д. Лысенко.

«Политика партии в области биологии» распространялась и на другие науки. Была отвергнута кибернетика, основывающаяся на аналогии между функциями управления в живых организмах и в определенных автоматических устройствах. Последняя была объявлена «буржуазной лженаукой». И эта идеологическая установка продержалась почти до конца 50-х годов. А ведь именно кибернетика составила одно из важных направлений научно-технической революции второй половины XX века.

Труднее для партийных идеологов оказалось дело с физикой, ибо именно от физиков зависело создание атомной бомбы. Уже наготове была команда (главным образом, из работников московских вузов), предназначенная для выступления против академических ученых-физиков. И если бы испытания первой советской атомной бомбы закончились неудачей, идеологический погром в физике был бы неизбежен. Рождение ядерного щита страны разрядило идеологически накаленную атмосферу. По словам академика В.И. Гольданского, «взрыв атомной бомбы в 1949 году спас советскую физику».

Отмеченные выше достижения в области атомной физики и биологии, а также появление кибернетики обеспечили естественнонаучную основу первого этапа НТР, начавшегося в середине XX века и продолжавшегося примерно до середины 70-х годов. Основными техническими направлениями этого этапа НТР стали атомная энергетика, электронно-вычислительная техника (явившаяся технической базой кибернетики) и ракетно-космическая техника. В последней, как и в атомной энергетике, избежавшей «идеологических передряг», СССР с самого начала занял ведущее место в мире.

Со второй половины 70-х годов начался второй этап НТР, продолжающийся до сих пор. Важной характеристикой второго этапа НТР стали новые технологии, которых не было в середине XX века. К ним относятся гибкие автоматизированные производства, лазерная технология, биотехнология и др. По мнению наиболее авторитетного научного органа США -- Национального научного совета, «никогда еще в истории естествознания не существовало такого спектра научных и технологических возможностей, как, например, в области сверхпроводимости или биотехнологии».

«Становление биотехнологии связано с успехами биологии в познании особенностей организации молекулярных структур живого и процессов этого уровня, осуществлением искусственного синтеза отдельных генов и их включения в геном бактериальной клетки. Это позволяет контролировать основные процессы биосинтеза в клетке, создавать такие генетические системы бактериальной клетки, которые способны осуществлять биосинтез определенных соединений в промышленных условиях. На решение таких задач ориентируется ряд направлений биотехнологии».

«Биологическая технология определила возникновение нового типа производства -- биологизированного. Примером такого производства могут быть предприятия микробиологической промышленности... Биологизация производства -- это новый этап научно-технического прогресса, когда наука о живом превращается в непосредственную производительную силу общества и ее достижения используются для создания промышленных технологий».

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5